MOS 电平转换电路故障

bazhonglei

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

) L0 e0 m0 v" n" I换个思路！假定MOS管截止，输入为0，那么VS是不是0.6V？那VGS就是1.8-0.6=1.2V，你的手册上VT最大1.1V，是不是很接近？另外你的MOS管显然要工作在开关模式，要工作在左侧和最下面两个区，也就是电阻区和截止区，条件是VG>VT，VDS<VG-VT和VG<VT，而不是你理解的饱和区。至于手册标的有没有水分，脱离开此电路，重新搭电路批量测一下就MOS就行，就测不良的，看看VGS=1.1是否能

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-20 22:38
9 K; L5 j) h1 F, y! {/ h看了几遍您的帖子，还是没有看到重点。能详细帮忙解释下吗？
1.目前看到饱和导通条件，要求VDS 大于(VGS ...

狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易懂，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
, J8 ?( e) J0 n

V_GS(th) 和 V_DS v.s. I_D 曲線都是用 SMU (Source Meter Unit) 量測的。

MOSFET 臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 定義

V_DS = V_GS 情況下，I_D ≥ 250μA 的 V_GS 電壓。（注意 Datasheet 上面有寫測試條件 V_DS = V_GS。）

臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) 的量測方式（僅為舉例說明，實際量測方式看儀器的作法。）；

• V_DS = V_GS = 0.1V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.2V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
• V_DS = V_GS = 0.3V，檢查 I_D 電流是否等於或大於 250μA。
  * {  A& b6 Q% I0 G0 R; L; c

…

..

.

參照之前線性區（Linear Region）及飽和區（Saturation Region）附圖，測試就是約略沿著二區域中間那條藍色虛線分界一路測上去。只要你可以找到一個 V_GS 電壓點能讓 I_D ≥ 250μA，你就能宣稱那是臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th)。由於每顆 MOSFET 單體多少都會有些差異，所以就會得到類似 V_GS(th) = 0.7V ~ 1.1V 這種結果。

超級狗

) Y7 O: P- G; @+ J

超級狗 发表于 2025-4-21 11:12
* C) Z* u3 S. p# R1 a! u狗弟想了一下該怎麼解釋會比較容易，咱們就先從臨界電壓（Threshold Voltage）的定義及測試方式開始吧！
...

* q: x! {/ `& T. E  `# f1 C如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V_GS(th) = 1.1V，但 Datasheet 中的 V_DS v.s. I_D 曲線，最低卻只有 V_GS = 2.5V，這代表何意？

那表示 SMU (Source Meter Unit) 在 V_GS < 2.5V 時，是掃描不出這些曲線的。我們可以了解，在 V_DS 高電壓時不會是問題，因為 V_GS(th) = 1.1V、這個電壓遠低於 2.5V，V_GS = V_DS = 1.1V MOSFET 就會導通了，V_DS 更大不會是問題。問題會出現在 V_DS 低電壓的部分，即虛線左側的線性區（Linear Region）。
, m( y% t4 M! t" Y; S% s( B1 p
0 W3 r) k/ p6 U1 W$ O8 U! j- ~+ w簡單來說 V_GS(th) = 1.1V 僅表示在 V_DS = V_GS = 1.1V 這個點能導通；但不代表 V_DS < 1.1V 時，N-Channel MOSFET 有辦法穩定導通。而 MOSFET 導通時的內阻 R_DS(on) 很小、V_DS ≈ 0V，這個工作點在 V_DS v.s. I_D 曲線中，會非常靠近 X 軸及原點的地方。如果沒有低於 V_GS = 1.8V 對應曲線就意謂著，即便規格是 V_GS(th) = 1.1V，MOSFET 在 V_GS = 1.8V 且 V_DS < 1.8V 的狀況下是無法穩定導通的。

5 l! k6 ]. I7 v8 O" R! W
1 C. I+ g9 [( z* V
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1 P- Z9 `. W+ a% z! j

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-20 23:35
樓主大人：
0 _% Q0 [+ J8 G: L- S要詳細寫得花點時間，我找時間再給完整的答覆。但可以給您幾個提示，您先想一下！

; @; |' C: m5 x+ |3 i小弟一開始請樓主比對暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 的規格，看能否發現一些差異，現在您再看一次、就會有感覺了！


6 h) ]  `( x, P  i) J

2 z8 A  ?: R7 K

再见海贼王

bazhonglei 发表于 2025-4-18 11:37
输入为0，由于VGS=0，MOS管截止，但是由于体二极管的存在，导致VS=0.6V，此时VD=0，VG=1.8V，VT=1.1V，VGD> ...

' ]2 p1 q; y/ d. n个人觉得，小电流时，二极管压降随电流变化比较明显，不能简单的定义为0.6V；只能说有可能处于饱和区，具体值需要知道MOS管工艺参数假设处在某个区来计算。这种最好实测或者仿真，要不就留大余量。

超級狗

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

" S% n1 D2 @* r( |/ a9 P# t" ^

案例分享

之前任職過的公司，也有工程師隨便選擇了 AOS (Alpha and Omega Semiconductor) 的某個 N-Channel MOSFET 型號，搭配 2.2KΩ 的 Pull-Up 電阻，用來設計 3.3V to 5V I²C Level Translator 電路。當時也遭遇到無法正常工作的問題，但我們把 Pull-Up 電阻降低至 240Ω 後，這個電路就能動作了。

7 G  z" ~( z% F% C- X為什麼 Pull-Up 電阻 ≤ 240Ω 後就能動作了？

因為 MOSFET 沒完全導通，通道電阻 R_DS 很大（不寫 R_DS(on) 是因為 MOSFET 沒完全打開，不能被稱為 On 的狀態。）。但 Pull-Up 電阻降低後，和通道電阻 R_DS 接近了，分壓後會將 V_DS 電壓拉高，此時 N-Channel MOSFET 就有機會進入導通區域了。（僅是有機會，不代表一定會！）

3 M0 L6 t& }$ S8 N6 y' P

但這個改變會讓電路很耗電，僅建議作為測試或暫時的補救措施。正確的作法還是應該選擇適當規格的 N-Channel MOSFET，或是使用專用的 Level Translator IC。
2 C) S" A) C. k) a6 Y- b

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-21 12:07
如果有顆 N-Channel MOSFET 的規格宣稱臨界電壓（Threshold Voltage）V = 1.1V，但 Datasheet 中的 V v.s ...

# @: V& r, e$ q& [8 P回复不了，不知道为什么。

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
回复不了，不知道为什么。

樓主大人：
3 ^) x) q4 D1 I' A. N您的標題是寫「故障」，想請教一下。
  A+ f+ U$ H5 F0 Z6 N
% W5 K" P; m  y, P: E- b

• 電路一開始是能正常工作，後來才不能動嗎？
• 確認是 MOS 管單體壞了嗎？
  + C7 b: a% {6 V% u: X

超級狗

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
回复不了，不知道为什么。

3 J% e; h$ ^: D$ i% e, K" A  X
; y2 ^% N: X* }V_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。
1 ^  Z' Q" t3 s
, @& g- B& F4 D) _我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。
8 j# {1 D/ Q2 n: P/ O7 V( Q
你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）

) K" |6 w2 U& p  Q另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！

超級狗

/ ~+ ?: Q2 r3 S

radioes8 发表于 2025-4-22 23:20
+ |% P3 n+ i; r- [! y回复不了，不知道为什么。

小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 I²C 電平轉換應用。
8 L9 d9 h7 k+ K/ O  U8 s5 Y
) E7 y/ L* k+ y  L  U當小弟再度追問其關鍵原因，它給了下列幾點結論。

人工腦殘結論

• V_GS v.s. R_DS(on) 曲線圖顯示， MOS 管在 V_GS = 2V 左右才打開。
• 只要 Datasheet 沒有列出 R_DS(on) @ 1.8V，基本上就不要指望它能在 1.8V 下穩定導通。
  ( e( h5 Y$ U  Y5 B9 z
  * g; {% \7 V6 `/ P8 L5 N

其實這就是我和龍大看法相近之處，你至少要敢寫、我才信你！

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9 K3 @7 N) A/ [& t0 O
; q$ E* @0 {8 Q. n2 b+ o

huo_xing

超級狗 发表于 2025-4-23 10:35
小弟也怕自己的觀念有錯，特地去問了人工腦殘。它說樓主這顆 MOS 管，不適合 1.8V 和 3.3V 間的 IC 電平 ...

狗大，逻辑反了。是没有写的不能相信。写了不一定行。
  z/ r  m. m1 |' ?  J手册中有只是我们甩锅的对象，项目找人背锅能证明不是我们问题。

radioes8

超級狗 发表于 2025-4-23 07:35
3 v) ]0 L- q5 L& [樓主大人：
; x$ r# j" o7 k4 @: ]您的標題是寫「故障」，想請教一下。

产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

radioes8

超級狗 发表于 2025-04-23 08:46:17
+ e* v; F! f2 @; ^


0 D6 f. u: X+ J" F* p( C
) Z6 G# ?2 u* f! H& j" x4 l& `V_GS v.s. R_DS(on) 曲線不是每家都會提供，暗蝦密（On-Semiconductor）NTA4153N 就沒有，但可以比對虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的曲線。

" r( S+ E) A7 p- a5 l# z7 y我有點懷疑你貼圖裏面，V_DS v.s. I_D 中那條 V_GS = 1.5V 的線，R_DS(on) 測試是不限制 V_DS 電平的，它是卡導通電流 I_D 。畫得出 I_D 曲線、卻畫不出 R_DS(on) 曲線，令人費解！意思是說，V_DS 低壓的時候 I_D  沒問題 ；但在 V_DS 高壓的時候，R_DS(on) 卻有問題。
0 N% `5 K. X' o7 q1 [
- S- n/ @7 g3 u# [& Q. o+ [0 b. c8 r你看虐死批你呀（Nexperia）BSH103 的 V_GS v.s. R_DS(on) 曲線，人家就老老實實的畫到 V_GS = 1.4V 左右。從 R_DS(on) 曲線看，感覺您的 MOS 管在  V_GS = 1.8V 時，都還在要開、不開的狀態。（請參考截圖標示的紅色參考線）

$ v- }8 ?9 g4 S5 l- t* }% X另一點是，MOS 管壞掉和電路不會動是兩回事，這點得先釐清！
$ U( B4 p' T$ p9 Q% B* H! F6 \
; f0 W6 x! K3 n! ~

我好像被限制发言了

7 G3 B, I1 B2 V

超級狗

# C. F8 ?/ h8 d

radioes8：
/ C& `( y$ x$ b+ z* t+ v产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

: w! \, E! u7 i如果檢查 MOS 管特性是正常的，那有可能是老化、環境...等因素造成參數漂移後產生的異常。

9 N+ i) t. h/ p. W3 i7 p! L除了狗弟之前降低上拉（Pull-Up）電阻值的經驗外，器件規格也告訴我們，溫度降低、導通電阻 R_DS(on) 也會跟著降低，也可以噴冷凍劑在不良 MOS 管上試試，或吹風機加熱正常的 MOS 管。但這些手段僅是驗證測試，不能作為解決方案。

/ C5 Q( f2 `/ @# d單從供應商的規格來看，他們並不保證 1.8V 下能正常動作，最好能換成虐死批你呀（Nexperia）BSH103。

- K. z) M& X* {  W: y關於這個電路在 1.8V 應用的風險，小弟在下一貼回您。

4 u  B, W! |  X9 m8 r+ x僅為個人建議！
  v& F: F, d8 k& _( _
) D# v+ {8 d" k- d& @2 l附註：
我查看用戶設定，您並未被限制發言。
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超級狗

5 n9 r' r' O. T* ~

radioes8 发表于 2025-4-23 21:34
! K8 `  L: k& b9 ]! R产品是使用一段时间之后才故障的，使用之前是好的。管子对照规格书测试相关参数，反馈是OK 的。

. R* e6 z5 }# Z9 J2 i潛在風險
; ]5 M5 V8 a4 P: G1 o; m, P# P上述討論僅侷限在 N-Channel MOSFET 導通的問題上，這些要求僅能保證電路最基本的正常動作，但大多數人都不會去量測 I²C 的特性。其實在國外的討論網站上，這個電路都只建議使用在 3.3V 和 5V 間的 I²C 電平轉換。然而華人卻很聰明的，把它照抄到 1.8V 和 3.3V 的應用上。

由於 1.8V 已經接近 N-Channel MOSFET 的最低工作電壓了，對於 > 100KHz 的高速應用，上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）等特性，有可能會超出 I²C 或其它介面規範要求。大家都本著會動就好的原則，經常會忽略這些問題，在選擇器件規格時又不嚴加把關，所以偶有意外發生也是正常的，設計時宜對訊號進行量測及檢視。
' K# A  v% g+ w7 z0 F& S' e
3 R. e: B$ x; P6 G* r" Z+ z5 k, l我們之前的經驗是，應用於 1.8V 和 3.3V 的電平轉換，400KHz 之下的上升時間（Rising Time）及下降時間（Falling Time）會非常接近 I²C 規範要求，記得餘量 < 10ns。這個測試結果對於小米或華為這類的大客戶，可能就會提出質疑了。
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